Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料沖擊壓縮特性細觀模擬

熊 瑋，張先鋒，陳海華，杜 寧，包 闊，談夢婷

（南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094）

1 引言

Al/Ni 材料是典型的含能結(jié)構(gòu)材料（Energetic structural materials），同時具備結(jié)構(gòu)特性和化學反應釋能特性。該類材料在一般情況下保持惰性且不相互反應，當給予足夠的機械、電或激光等刺激后會迅速釋放大量的化學能，發(fā)生快速燃燒或爆炸［1］。由于兼具含能和強度特性，含能結(jié)構(gòu)材料在軍事領域和民用領域均具有十分廣闊的應用前景［2-6］，如制作含能破片、含能藥型罩、基于含能結(jié)構(gòu)材料的侵徹體及空間碎片防護結(jié)構(gòu)等。在材料制備方面，由于Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料在溫度達到鋁的熔點（660 °C）時即會發(fā)生化學反應，一般不采用燒結(jié)［7-8］和高溫熔融的方法制備該種材料，因此最常用的制備方法有準靜態(tài)壓制［9-10］、爆炸合成［11］和冷軋［12］等。

相關研究表明［13］，Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料的細觀結(jié)構(gòu)（顆粒尺寸、形狀以及顆粒分布等）對其力學行為及沖擊反應特性的影響十分顯著。在細觀尺度上建立含能結(jié)構(gòu)材料的沖擊響應模型，研究其在沖擊壓縮下的金屬顆粒材料間的碰撞、孔隙壓垮、接觸面變化及溫度分布等規(guī)律，能更直接分析含能結(jié)構(gòu)材料的沖擊動態(tài)力學響應特性，進而有利于闡明其沖擊反應機制。含能結(jié)構(gòu)材料細觀模型的生成方法主要有兩種：（1）滿足分布統(tǒng)計規(guī)律的細觀數(shù)值仿真模型。Williamson［14］將不銹鋼材料簡化為在細觀尺度上由均勻、等粒徑顆粒構(gòu)成，生成了相應細觀數(shù)值仿真模型。為了更 接 近 真 實 細 觀 分 布 情 況，Benson［15-16］、Austin等［17-19］和喬良［20-21］隨后改進了該類細觀模型建立方法，結(jié)合材料中顆粒細觀分布特性（材料配比、尺寸、幾何形態(tài)）建立相應的數(shù)學描述，并利用隨機數(shù)生成方法、模擬退火算法等方法生成滿足細觀分布統(tǒng)計規(guī)律的模型。（2）基于細觀照片生成細觀尺度數(shù)值仿真模型。Eakins［22-23］通過（Scanning Electron Microscope，SEM）設備得到了Al/Ni 含能結(jié)構(gòu)材料的細觀照片，并以此建立了細觀尺度數(shù)值仿真模型，研究了材料顆粒形狀和密實度等細觀特性對Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料沖擊響應行為的影響規(guī)律，同時確定了其狀態(tài)方程參數(shù)，其建模過程主要有三步［23］：區(qū)分相、矢量化、導入仿真軟件。相比而言，滿足分布統(tǒng)計規(guī)律的細觀數(shù)值仿真模型的建立更加方便快捷，而基于細觀照片生成細觀尺度數(shù)值仿真模型更能體現(xiàn)材料細觀尺度上的實際分布特點，而兩種建模方法對含能結(jié)構(gòu)材料沖擊響應細觀模擬結(jié)果的影響機制仍有待探索。

基于以上研究背景，本研究選取三種典型的Al/Ni類含能結(jié)構(gòu)材料為研究對象，結(jié)合細觀結(jié)構(gòu)照片和細觀顆粒初始形態(tài)建立該類材料的沖擊壓縮細觀模型，重點關注沖擊壓縮過程中的材料顆粒變形、壓力響應及熱點分布、沖擊波傳播特性等問題，分析兩種建模方法對材料沖擊壓縮響應特性的影響機制，為含能結(jié)構(gòu)材料沖擊反應特性的研究奠定基礎。

2 細觀模擬方法

2.1 典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料的細觀結(jié)構(gòu)特性

對不同Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料的細觀結(jié)構(gòu)觀測有助于確定材料細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對材料力學行為及沖擊反應特性的影響規(guī)律，同時也可為后續(xù)細觀仿真建模提供參考。三種典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料SEM 照片如圖1 所示。前兩種材料為Al/Ni粉末復合材料，由初始粒徑分別小于23 μm 和75 μm的Al 粉和Ni 粉按一定比例混合后，通過粉末壓制法制備得到，尺寸為Φ10 mm×10 mm。其中，1#材料體積配比為50/50，記為Al/Ni（VAl/VNi=50/50）粉末復合材料；2#材料化學計量比為50/50，記為Al/Ni（nAl/nNi=50/50）粉末復合材料。3#材料為Al/Ni（nAl/nNi=50/50）多層復合材料，由初始厚度分別為0.8 mm 和0.5 mm 的Al板和Ni板交疊后軋制而成，隨后切割為Φ11.8 mm×5.5 mm圓柱型試樣。

對于1#材料，在SEM 照片（圖1a）中Al 球形顆粒均勻分布在Ni 基質(zhì)中，其Al-Al 晶界較為清晰。而2#材料SEM 照片中，Al 顆粒相互結(jié)合，Al-Al 晶界不夠分明。這是由于隨著Al 含量增加，Al-Al 顆粒間發(fā)生相互接觸，在準靜態(tài)壓制過程中發(fā)生變形并結(jié)合在一起，形成如圖1b 所示的團聚現(xiàn)象。另一方面，圖1c 所示基于冷軋技術(shù)制備的3#材料的細觀結(jié)構(gòu)主要以Al 為基體，而Ni 平行散布其中。同時，由于Al 和Ni 的可壓縮性不同，兩者在軋制過程中的厚度比發(fā)生了改變。

圖1 三種典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細觀結(jié)構(gòu)Fig.1 The microstructures of three typical Al/Ni composites

2.2 細觀幾何模型的建立方法

2.2.1 基于SEM 照片的細觀幾何模型生成方法

為了反映Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料真實的細觀結(jié)構(gòu)特性，利用SEM 照片建立了細觀幾何模型［24］，截面如圖2 所示。通常，SEM 拍攝的區(qū)域有限，代表性體積單元（Representative volume element，RVE）的 尺 寸 過小，不足以模擬整個沖擊壓縮過程中材料細觀尺度上的變形行為及沖擊波傳播規(guī)律，因此需要采用適當?shù)姆椒ǐ@取尺寸更大的細觀模型。對于Al/Ni 粉末復合材料（1#、2#），由圖1 可知，其顆粒分布具有隨機性，即該材料的細觀結(jié)構(gòu)具有各向同性的特性。將基于SEM得到的矢量圖沿x、y兩個方向分別進行鏡像處理，最終得到細觀幾何模型的截面尺寸為1 mm×1 mm。

對于Al/Ni 多層復合材料（3#），Al、Ni 兩相的細觀結(jié)構(gòu)均為細長型，近似于平行分布。在相關試驗中［25］，受力方向通常與軸線方向平行（即與細觀尺度Al-Ni 界面垂直）。由于拍攝角度問題，SEM 照片與試件軸線呈一定的夾角。因此，需將所得到的RVE 進行旋轉(zhuǎn)，使之與實際受力情況相符合。同時，由于Al/Ni多層復合材料的顆粒較大，所建立的細觀幾何模型尺寸需要大于粉末復合材料的尺寸，以消除邊界效應的影響。將所得到的矢量圖進行鏡像或平移，得到截面尺寸為5 mm×5 mm 的細觀幾何模型。將基于SEM 得到的模型截面沿其垂直方向拉伸，最終得到具有真實細觀結(jié)構(gòu)特性的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料切片，用于模擬Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料中任一橫截面切片中的沖擊波傳播過程。

圖2 基于SEM 照片建立的三種典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細觀仿真模型Fig.2 The mesoscale model established based on SEM images for three typical Al/Ni composites

為了驗證上述建模方法得到的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細觀模型材料配比與真實材料的一致性，通過提取細觀模型中各細觀相的體積，從而獲取細觀模型中Al 的體積百分數(shù)，如表1 所示。將細觀模型中Al 的體積分數(shù)與材料制備時的體積分數(shù)進行對比可以發(fā)現(xiàn)，兩者誤差不超過10%，說明本研究所選取的幾種Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料RVE均能夠反映材料內(nèi)部的真實情況。

表1 三種Al/Ni 材料細觀模型與真實材料中Al 的含量對比Table 1 Comparison of the volume fraction of Al in mesoscale model and real material %

2.2.2 基于顆粒初始形態(tài)的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料均勻化細觀幾何模型

在含能結(jié)構(gòu)材料沖擊響應特性細觀模擬中，最常用的方法是結(jié)合材料中初始顆粒細觀分布特性（材料配比、尺寸、幾何形態(tài)）建立滿足分布統(tǒng)計規(guī)律的細觀數(shù)值仿真模型。因此，本研究按照材料顆粒的初始形態(tài)特征對幾種典型的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料進行了均勻化細觀建模，用于與基于SEM 照片生成的細觀模型的對比研究。

基于1#和2#材料的細觀結(jié)構(gòu)特征（圖1），在均勻化細觀幾何模型中，將Ni 設置為基體材料，而Al 按照其顆粒初始形態(tài)建立為等粒徑（R=11.5 μm）的圓形顆粒。Al 顆粒的位置（xi，yi）按照隨機分布方法進行分配［21］，在此過程中需保證顆粒間互不重疊：

對于3#材料，由SEM 照片（圖1）可知，其細觀層近似于平行分布。保持Al、Ni 細觀層厚度比為原始材料層厚度比（1.6∶1），取Ni 的厚度為0.2 mm，可建立Al/Ni 多層復合材料細觀模型。三種典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料的均勻化細觀模型截面如圖3 所示。

圖3 Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料均勻化細觀仿真模型Fig.3 The mesoscale model established with homogenization method for three typical Al/Ni composites

雖然此方法建立的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細觀模型材料配比與其真實材料配比完全一致，但是，通過與細觀結(jié)構(gòu)照片對比可以發(fā)現(xiàn)，基于材料初始顆粒形態(tài)的均勻化細觀幾何模型既無法體現(xiàn)Al/Ni 粉末復合材料（1#、2#）在制備過程中發(fā)生的變形和團聚現(xiàn)象，也無法體現(xiàn)Al/Ni 多層復合材料（3#）在軋制過程中兩相厚度比的改變及Ni 相的斷裂，與材料真實細觀結(jié)構(gòu)存在較大差異。

2.3 材料模型

Johnson-Cook（J-C）模型［26］是常見的用于描述金屬材料在大變形、高應變率和高溫情況下熱力學行為的材料模型。該模型具有形式簡單、準確性好且相關材料參數(shù)容易從單項試驗中獲得等優(yōu)點。本研究選取Johnson-Cook（J-C）模型描述高應變率下Al、Ni 材料的力學行為，其表達式為：

式中，σe為等效應力，Pa；εe為等效應變；為無量綱塑性應變率；ε˙0為參考應變率，s-1；T*=(T-Troom)/(Tmelt-Troom)為無量綱溫度；Y是參考應變率下的屈服強度，由準靜態(tài)拉伸試驗確定，Pa；B，n′，c和m′是材料常數(shù)。定義G為材料的剪切模量，Pa；λT為導熱系數(shù)，W·m-1·K-1。材料參數(shù)［27-33］列于表2。

表2 Al、Ni 材料的參數(shù)Table 2 Material parameters for the constitutive model

Al、Ni 的 沖 擊 響 應 行 為 由Mie-Grüneisen 狀 態(tài)ε˙*=ε˙e/ε˙0方程［34］描述，該方程是常用的一種描述固體在沖擊波高壓條件下行為的物態(tài)方程，被廣泛地使用來描述材料沖擊壓縮后的狀態(tài)。其表達式為：

式中，C0是聲速，m·s-1；S為材料常數(shù)。

2.4 求解器及算法選擇

本研究主要采用ABAQUS/EXPLICIT 求解器模塊對Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細觀尺度下沖擊響應特性進行仿真模擬。該求解器適用于求解非線性動力學問題和準靜態(tài)問題，特別在模擬短暫、瞬時的動態(tài)事件（如沖擊和爆炸問題等）具有一定的優(yōu)勢。同時，考慮到材料在高速沖擊的高應變率條件下將發(fā)生劇烈變形，本研究采用歐拉算法對Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料在沖擊壓縮條件下的動態(tài)響應行為進行仿真模擬。為了對沖擊引起的溫升進行準確計算，選取溫度-位移耦合算法，網(wǎng)格形狀為八節(jié)點正六面體（EC3D8RT），各材料初始溫度為300 K。對于1#和2#材料，為了保證計算精度將歐拉域網(wǎng)格尺寸取為2 μm。另一方面，對于3#材料，由于其顆粒尺寸約為1#和2#材料的10 倍，為了提高計算效率，將其細觀模型的歐拉域網(wǎng)格尺寸取為10 μm。此外，為了模擬沖擊波的一維傳播過程并減少計算時間，歐拉域的厚度方向尺寸取為一個網(wǎng)格大小。對歐拉域的材料屬性進行定義，并基于前述得到的細觀尺度幾何模型，對每個網(wǎng)格進行物質(zhì)分配。

2.5 邊界條件

在細觀模型的左側(cè)建立剛性板，取其網(wǎng)格大小與歐拉域一致。剛性板以300～1500 m·s-1恒定速度對Al/Ni材料的細觀模型進行壓縮，則材料中的粒子速度Up即為剛性板的壓縮速度。由于細觀模型尺寸小于實際試樣尺寸，為了模擬理想周期性材料細觀結(jié)構(gòu)和一維壓縮條件，在除加載面以外的各個面均施加對稱邊界條件。

3 結(jié)果與討論

為了研究典型Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細觀熱力學響應結(jié)果，對2#和3#兩種具有典型細觀結(jié)構(gòu)的Al/Ni材料在沖擊壓縮過程中的顆粒變形、壓力分布及溫度分布情況進行分析。為了保證對比的有效性，本研究所示均為沖擊波傳播至細觀模型相同位置（沖擊壓縮方向中點附近）的計算結(jié)果。同時，對三種典型Al/Ni復合材料沖擊Hugoniot 參數(shù)進行計算。

3.1 典型Al/Ni 粉末復合材料沖擊壓縮細觀模擬計算結(jié)果

3.1.1 細觀顆粒變形情況

在三個典型沖擊壓縮速度下，基于SEM 照片建立的2#材料細觀模型中顆粒變形情況如圖4 所示。由于Al/Ni 粉末顆粒尺寸太小，此處對局部區(qū)域進行放大處理，并保證圖片具有相同放大比。從計算結(jié)果可以看出，Up=300 m·s-1時，材料內(nèi)部的細觀顆粒無明顯變形。隨著Up上升至1200 m·s-1，顆粒變形逐漸劇烈。同時，在沖擊加載條件下，材料體積發(fā)生了壓縮。Up從300 m·s-1上升至1200 m·s-1的過程中，原始橫向沖擊壓縮方向）尺寸為0.45 mm 的區(qū)域壓縮為0.35 mm，相對壓縮率為22.2%。因此，沖擊壓縮下的材料內(nèi)部主要發(fā)生了顆粒變形和體積壓縮兩個過程。

另一方面，基于材料顆粒初始形態(tài)的2#材料均勻化細觀模型沖擊壓縮顆粒變形情況如圖5 所示。計算結(jié)果表明，在沖擊加載條件下，初始顆粒形狀規(guī)則且尺寸均勻的Al 顆粒發(fā)生了變形。當沖擊速度達到800 m·s-1以上時，能夠明顯觀測到Al 顆粒的大變形及顆粒間的融合現(xiàn)象。由于2#材料的真實細觀結(jié)構(gòu)中，Al 顆粒間存在團聚現(xiàn)象，因此通過粉末壓制法制備的材料實際顆粒尺寸大于材料粉末的初始尺寸。而圖5 所示細觀模型的初始狀態(tài)中，Al 顆粒間相互間隔且保持初始顆粒尺寸，在沖擊壓縮過程中的變形相比于基于SEM 照片建立的細觀模型計算結(jié)果更加劇烈。

圖4 2#材料在不同沖擊壓縮速度下的顆粒變形情況Fig.4 The deformation of particles in material 2# at different particle velocities based on the mesoscale model

圖5 2#材料均勻化細觀模型在不同沖擊壓縮速度下的顆粒變形情況Fig.5 The deformation of particles in material 2#at different particle velocities based on the mesoscale model with uniform particles

3.1.2 沖擊壓力及溫度計算結(jié)果

圖6 為不同沖擊條件下基于SEM 照片建立的2#材料中壓力和溫度分布情況。從圖6 可以看出，材料內(nèi)部壓力和溫度分布不均勻。隨著Up從300 m·s-1提高至1200 m·s-1，沖擊壓力最高值從8.8 GPa 上升至52.5 GPa，同時沖擊溫度最大值從452 K升高至2118 K。沖擊壓縮過程中，材料溫升的主要來源是顆粒變形產(chǎn)生的塑性功和沖擊壓縮引起的體積壓縮功。因此，沖擊壓縮速度越高，顆粒變形和體積壓縮越顯著，材料內(nèi)部的沖擊溫度越高。假設Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料的沖擊反應過程主要是由溫度控制的。當沖擊溫度超過反應閾值時，該材料發(fā)生部分化學反應，反應速率隨溫度的升高而增高，直至達到最大值，實現(xiàn)完全化學反應［27，36］。從細觀仿真的角度進行分析，可以推論：沖擊速度的增加可以促使沖擊溫度升高，從而加快化學反應速率，最終釋放出更多的能量。這一推論與相關試驗的結(jié)果吻合［25，37］。

2#材料均勻化細觀模型在不同沖擊壓縮速度下的壓力和溫度分布情況如圖7 所示。當Up從300 m·s-1升高至1200 m·s-1時，最大沖擊壓力從8.5 GPa 升高至54.7 GPa，相應的最大沖擊溫度從447 K 升高至2265 K。與由SEM 照片建立的細觀模型計算結(jié)果相比，該模型計算的2#材料中細觀尺度壓力和溫度峰值差異不大，但分布壓力場和溫度場的分布更加均勻。當Up達到800 m·s-1時，沖擊波波陣面后局部溫度超過Al 的熔點（933 K），Al 顆粒發(fā)生了局部變形，并與相鄰顆粒產(chǎn)生融合。隨著沖擊速度的增大，材料內(nèi)部溫度更高，因此Al 顆粒的變形和融合現(xiàn)象更加明顯。

圖6 2#材料細觀模型在不同沖擊速度下的壓力及溫度分布Fig.6 The pressure and temperature response in material 2# at different particle velocities based on the mesoscale model

圖7 2#材料均勻化細觀模型在不同沖擊速度下的壓力及溫度分布Fig.7 The pressure and temperature response in material 2# at different particle velocities based on the mesoscale model with uniform particles

3.2 典型Al/Ni 多層復合材料沖擊壓縮細觀模型計算結(jié)果

3.2.1 細觀顆粒變形情況

Al/Ni 多層復合材料與Al/Ni 粉末復合材料具有完全不同的細觀結(jié)構(gòu)和細觀尺寸，相關試驗也表明兩者的宏觀力學行為和沖擊釋能特性具有較大差異［24］?；赟EM 照片建立的3#材料細觀模型在典型沖擊速度下的顆粒變形情況，如圖8 所示。同前述計算結(jié)果，沖擊壓縮速度越高，細觀顆粒變形越劇烈，沖擊壓力和溫度也相應增加。其中，顆粒變形情況主要表現(xiàn)為兩個方面：（1）Al、Ni 材料細觀層在壓縮加載下發(fā)生體積壓縮而變??；（2）Ni 顆粒的兩端及中間初始厚度較薄區(qū)域比其他區(qū)域變形更快，從而出現(xiàn)類似于流體的流動現(xiàn)象，使其細觀顆粒更加彎曲甚至斷裂。

圖9 為厚度比為0.32/0.2 且各細觀層保持軋制之前初始形態(tài)的3#材料均勻化細觀模型計算結(jié)果，該結(jié)果與基于真實細觀結(jié)構(gòu)的細觀模型計算結(jié)果存在較大差異。對于Al、Ni 細觀層，在沖擊壓縮過程中主要發(fā)生了體積壓縮，而無明顯變形現(xiàn)象。

圖8 基于SEM 的3#材料在不同沖擊壓縮速度下的變形情況Fig.8 The deformation of layers in material 3# at different particle velocities based on the mesoscale modelwith SEM images

圖9 3#材料均勻化細觀模型在不同沖擊壓縮速度下的變形情況Fig.9 The deformation of layers in material 3# at different particle velocities based on the mesoscale model with uniform layers

3.2.2 沖擊壓力及溫度計算結(jié)果

圖10 為不同沖擊條件下基于SEM 照片建立的3#材料中壓力和溫度響應計算結(jié)果。與2#材料相比，3#材料在沖擊壓縮過程中的壓力和溫度分布更加不均勻，且其分布情況均與材料的顆粒分布情況相關。從圖10 中壓力云圖可以看出，3#材料的沖擊波波陣面形狀為與波陣面處顆粒形狀相似的曲面。此外，從溫度分布云圖可以看出，Al 相的沖擊溫度顯著高于Ni 相，這是由于Al 的可壓縮性比Ni 好。當沖擊速度Up=300 m·s-1時，該材料內(nèi)最高沖擊壓力為8.8 GPa，最高沖擊溫度為472 K。隨著Up提高至1200 m·s-1，沖擊壓力和沖擊溫度最大值分別升高至72 GPa 和2856 K。由此看出，3#材料內(nèi)的沖擊溫度和沖擊壓力高于2#材料。

圖10 基于SEM 的3#材料細觀模型在不同沖擊速度下的壓力及溫度分布Fig.10 The pressure and temperature response in material 3# at different particle velocities based on the mesoscale model with SEM images

圖11 3#材料均勻化細觀模型在不同沖擊壓縮速度下的變形情況Fig.11 The pressure and temperature response in material 3# at different particle velocities based on the mesoscale model with uniform layers

圖11 為3#材料均勻化細觀模型沖擊壓力和溫度計算結(jié)果。計算結(jié)果表明，基于該細觀模型得到的材料內(nèi)沖擊波波陣面為與材料細觀層完全平行的平面，溫度分布云圖為與Al、Ni 材料位置相關的高、低溫間隔且平行分布的結(jié)構(gòu)。此外，由于細觀層結(jié)構(gòu)規(guī)則且均勻分布，該細觀模型的計算結(jié)果中無局部高溫、高壓點。因此，基于初始細觀形態(tài)建立的3#材料細觀模型無法預測沖擊壓縮局部高壓和熱點結(jié)果。

3.3 Al/Ni類含能結(jié)構(gòu)材料的沖擊Hugoniot參數(shù)計算

圖12 基于兩種細觀建模方法的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料Us-Up關系計算結(jié)果對比Fig.12 Comparison of the Us-Up relationship of Al/Ni materials calculated from two modelling methods

表3 三種Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料狀態(tài)方程參數(shù)計算結(jié)果Table 3 The calculated Hugoniot parameters of three Al/Ni composites

根據(jù)前述沖擊波參數(shù)的計算方法，得到了三種Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料在不同沖擊壓縮速度Up下產(chǎn)生的沖擊波速度Us。對離散的Us-Up數(shù)據(jù)點進行線性擬合得到了Hugoniot 參數(shù)，結(jié)果如圖12 和表3 所示。對于1#材料，兩種建模方法得到的計算結(jié)果無明顯差異。而對比2#材料兩種細觀模型計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，基于SEM 照片建立的細觀模型計算得到聲速和沖擊波速度均高于細觀顆粒形狀均勻的細觀模型計算結(jié)果。這主要是由于2#材料中的Al 顆粒含量高于1#材料，同時SEM 照片也表明2#材料細觀結(jié)構(gòu)中的Al 顆粒團聚現(xiàn)象相比于1#材料更為顯著，因此采用均勻化建模方法得到的細觀模型不能準確體現(xiàn)材料顆粒的分布情況。該結(jié)果表明，在材料細觀結(jié)構(gòu)中，若顆粒分布較為離散，兩種建模方法計算的宏觀狀態(tài)方程參數(shù)結(jié)果相近；若某一顆粒含量較高而在細觀結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)大面積的團聚現(xiàn)象，應優(yōu)先采用SEM 照片生成的細觀模型。另外，對于3#材料，基于SEM 照片建立的細觀模型計算得到的材料聲速低于細觀層均勻化的模型計算結(jié)果，而基于SEM 照片建立的細觀模型得到的材料參數(shù)S高于細觀層均勻化的模型計算結(jié)果。結(jié)合前述分析可知，細觀結(jié)構(gòu)均勻化建模方法不適用于描述Al/Ni 多層復合材料的沖擊響應行為。

4 結(jié)論

以三種典型的Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料為研究對象，分析了材料配比、制備工藝對其細觀結(jié)構(gòu)特性的影響機制，同時結(jié)合細觀結(jié)構(gòu)照片和細觀顆粒初始形態(tài)建立了該類材料的沖擊壓縮細觀模型?；趦煞N細觀模擬方法的沖擊壓縮響應特性計算結(jié)果得到如下規(guī)律：

（1）Al/Ni 粉末復合材料的細觀顆粒主要以Ni 為基體，且Al 顆粒隨著其含量的上升而發(fā)生團聚；而Al/Ni 多層復合材料主要以Al 為基體，Ni 近似于平行分布其中。

（2）Al/Ni 類含能結(jié)構(gòu)材料細觀結(jié)構(gòu)存在不均勻特性，導致材料在沖擊壓縮過程中產(chǎn)生局部高壓和局部熱點，而這一特性無法由材料初始顆粒形態(tài)建立的均勻化細觀模型得到。

（3）在沖擊Hugoniot 參數(shù)計算方面，兩種建模方法對細觀顆粒分布較為離散的Al/Ni 粉末復合材料的計結(jié)果相近，但對于Al/Ni 多層復合材料及細觀結(jié)構(gòu)中存在顆粒大量團聚的Al/Ni 粉末復合材料計算結(jié)果存在顯著差異。